参考文献

第10章 汽车零部件先进热处理设备

10.1概述

10.1.1热处理设备的分类与特性

热处理设备是完成零件热处理操作的重要工艺装备。随着对零件技术要求的提高，对设备的性能和技术指标有了更严格的规定，首先热处理设备要确保工艺参数的实现，其次要求操作简单、减轻体力劳动、易于实现机械化或自动化、生产率高，再次要求节能降耗、环保。这些是选择设备和使用设备进行零件热处理时必须要考虑的问题。

热处理设备的种类很多，应根据零件材料和设计要求来选用相应的设备。热处理设备主要分为加热设备、冷却设备、辅助设备等几大类，见表10-1。

表10-1常见热处理设备分类

（续)

本章主要围绕汽车零件进行热处理所用的热处理设备进行介绍，根据使用目的与要求的不同，重点介绍真空热处理炉、连续式保护气氛炉、燃气高温炉、感应加热设备、流动粒子炉、离子渗氮炉等。

10.1.2汽车零件对热处理设备的要求

1.零件热处理的要求与设备的选择

产品的热处理质量是通过选用合适的热处理设备、加热介质、加热温度和保温时间以及冷却方法等来保证的，工艺参数的合理选择是达到热处理要求的最为重要的措施。选择热处理设备的一般原则如下:

1)要求表面光亮、无氧化脱碳、表面粗糙度值低的精密零件等推荐采用真空炉、保护（或可控)气氛炉和流动粒子炉等。

2)长轴、薄片状零件等应首选盐浴炉、多用炉以及井式电阻炉进行加热。

3)大批量作业的应采用机械化或自动化程度高的连续式热处理炉（包括网带炉、振底炉等)，而品种多数量少的采用万能的小型保护气氛炉。

4)锻造后进行退火、去应力退火等的毛坯，通常选择在普通箱式电阻炉中加热，普通箱式电阻炉一般用于加工余量比较大的产品。

5)工具与模具等产品的淬火加热，最好在盐浴炉或真空炉中进行，一是满足表面加工余量小与变形小的要求；二是表面无氧化脱碳，可提高其使用寿命；三是质量可得到有效保证。

6)要求表面硬化的零件可进行高频感应淬火、火焰淬火或激光淬火等。

7)要求渗层浅、变形量小、表面硬度高、耐磨性好的零件，应进行渗氮、氮碳共渗、离子注入和气相沉积等处理。

2.热处理设备的发展方向

随着热处理的基础理论研究和热处理新工艺、新技术的不断进步，我国热处理领域缩小了与工业发达国家的差距。但在热处理生产水平、质量控制以及热处理设备方面仍存在较大的差距，还没有根本扭转汽车零件热处理设备落后、氧化脱碳、质量差、生产率低、能耗大、成本高、污染严重等局面，大力推广先进的热处理新技术、新工艺、新材料、新设备，用高新技术改造传统的热处理技术，满足零件热处理“优质、高效、节能、降耗、无污染、低成本、专业化、清洁生产”的要求，是汽车零件热处理的发展方向，具体内容如下:

1)设计先进的自动化与连续化热处理设备，实现加热的少、无氧化脱碳，保持零件表面成分的稳定。

2)实现零件热处理前后清洗的自动化作业，确保炉内加热气氛的稳定，实现清洁生产和零污染。

3)实现精确生产和零畸变，发展低成本、低能耗、高效率的自动化感应加热设备。

4)研发零件热处理后免清洗的加热介质或冷却介质，实现热处理过程水的无污染、零排放。

5)智能化的温控系统与炉内气氛的计算机自动控制。

6)化学热处理的低温化与自动化作业。

7)加热设备余热的回收利用。

8)开发节约能源的设备和工艺。

10.2真空热处理炉

10.2.1真空炉的发展概况

真空炉是随着航空航天技术的发展而开发的热处理设备。国外自20世纪40年代开始研制真空炉，开始批量投入使用是在20世纪60年代以后。真空炉是近几十年来在热处理领域最具有发展前途的一种设备，它可替代盐浴炉、电阻炉和燃气炉等。真空炉是依靠电极的辐射作用实现对工件的加热的，辐射加热速度比较慢，因此工件的内外加热较为均匀，工件的变形小。同时避免了工件加热过程中出现氧化和脱碳现象，保持了工件表面的原始状态，工件清洁和光亮。图10-1所示为淬火及渗碳两用双室卧式真空炉。

图10-1 淬火及渗碳两用双室卧式真空炉

1—炉壳 2—加热室 3—拖车 4—气冷室 5—手推车 6—淬火油槽 7—电风扇

我国汽车零部件行业自20世纪80年代初，开始推广使用真空炉，到90年代全国汽车零部件厂均拥有一台以上真空炉（包括淬火炉和回火炉等)。真空炉不仅用于普通工件的淬火、回火、退火和正火，而且可进行化学热处理，如真空渗碳（包括真空碳氮共渗)、真空离子渗碳和辉光离子渗氮等，同时可完成金属的烧结、钎焊和真空镀膜等。真空渗碳具有渗层均匀、重现性好、表面清洁光亮和消耗气体少的优点。

10.2.2真空炉的种类、特点、应用及主要技术参数

1.真空炉的分类

根据炉内真空度的高低不同，真空炉分为低真空、中真空和高真空三种。通常使用的为中真空和高真空状态，真空度分别为0.133～1.33Pa和1.33×10^－3～1.33×10^－2 Pa。

按照真空炉冷却时使用的冷却介质不同，真空炉可分为油冷真空炉、气淬-油冷真空炉、硝盐浴真空炉、水淬真空炉以及气冷真空炉几种；按结构形式分为单室、双室、三室和连续作业炉等。

图10-2 外热式油淬真空热处理炉

1—炉体 2—电热元件 3—工件 4—真空罐 5—隔热屏 6—淬火油槽 7—传动机构 8—冷却室

（1)外热式真空炉 该类真空炉结构简单，炉罐不需要水冷，故称为热壁真空炉，零件放在已抽成真空的炉罐中，从外部间接加热。图10-2所示为外热式油淬真空热处理炉。该类真空炉的特点如下:操作维修方便，造价低；炉罐内无电热元件和隔热材料等，易于清理，容易获得真空；无气体放电和其他安全隐患，可靠性好。

（2)内热式真空炉 内热式真空炉依靠内部电阻加热，其加热元件、隔热屏、炉床和其他构件等均装在加热室内，依靠电极的热辐射实现对零件的加热。电热元件在炉膛的中部构成一个加热区，确保零件的均匀加热，在加热元件的外部装有金属辐射屏或非金属隔热屏，炉床在加热区的中央。内热式真空炉的种类和形式很多，占国内外真空炉数量的80％以上，常用于退火、淬火、回火、烧结和钎焊等。同外热式真空炉相比，具有以下特点:炉子的热惯性小，加热速度和冷却速度快，热效率与生产率较高；无耐热炉罐，故炉膛与容量不受限制，炉内可达到更高的温度；炉温的均匀性好，可达±5℃，因此工件受热均匀，零件的变形小；零件加热期间不需要通入保护气体，提高了加热元件的使用寿命；炉内结构复杂，加热区受到一定的限制；炉体体积大，需要配备的真空系统的容量要增大。

目前国内双室真空炉的型号有ZC系列、WZ系列、VCQ系列等；单室气淬炉有VFC系列、VVFC系列、HPV系列高压气淬系列等。它们具有各自的加热和冷却特点，技术已经成熟，得到使用厂家的认可和肯定。图10-3所示为内热式真空炉常见炉型。

图10-3 ZC2系列内热式真空炉

1—淬火油槽 2—水平移动机构 3—整体式炉体 4—气冷风扇 5—翻板式中间门 6—中间墙 7—加热室 8—升降机构 9—油搅拌器

2.真空炉的特点

真空炉与其他热处理炉相比，具有以下优点:

1)设备自动化程度高，完全实现机械化操作，设备本身有自锁功能，保护真空炉的安全使用。

2)炉膛洁净，工件热处理变形小，仅为盐浴变形量的1/10～1/4，减少了零件的磨削加工余量。

3)具有除气和脱脂作用，显著提高了工件的力学性能，延长了零件的使用寿命。

4)节省电力和能源，蓄热损失小，污染气氛低于其他任何的保护气氛炉，无公害，操作安全可靠，工作环境好。

5)工件无氧化、脱碳，表面光亮，确保零件表面的化学成分和表面状态保持不变，减少了热处理表面缺陷，生产成本低。

6)零件无氢脆的危险。

3.真空炉的应用

真空炉在我国的发展时间不长，由于生产成本高和一次性投资大，因此其应用的范围也受到一定程度的限制。在国外工业发达国家真空炉的数量在23％以上，与可控气氛炉基本相当，发展很快，自动化程度和工艺水平更高，几乎可以实现金属材料的全部热处理工艺，如淬火、回火、退火、渗碳、渗氮、渗金属等热处理工艺，完成气淬、油淬、硝盐淬火和水淬等淬火处理。真空炉及其应用情况见表10-2。

表10-2真空炉及其应用情况

对工模具钢而言，在真空炉内加热时，减少了辐射换热，加热速度缓慢，零件各部分受热均匀，因此变形量很小。冷却后的零件表面处于压应力状态，故零件具有良好的综合力学性能，疲劳强度和抗拉强度明显提高，使用寿命比普通盐浴炉处理的零件提高2～10倍。

耐热钢、不锈钢等零件经真空退火后，表面光洁，提高了零件表面的耐蚀性和对晶粒间腐蚀的抵抗能力；另外，可实现真空堆焊、软化退火、真空镀膜等。这是其他热处理设备是无法比拟的。

高强度螺栓等重要零件的材料为30CrMnSiA、30CrMnSiNi2A，经过真空热处理后，抗拉强度提高，而塑性和韧性没有发生明显的变化，断裂韧度降低而低温的冲击韧度较高。疲劳强度提高100倍以上，冲击磨损和低温拉伸寿命分别提高1.5～2.4倍和1.6～3.5倍，显示了真空热处理的优势。

4.真空炉的主要技术参数

真空炉的各项技术指标与其他热处理设备有相似之处，但因其炉膛必须能承受负压的作用，并能保证加热零件无氧化、脱碳，因此有些技术要求相对比较严格，主要技术参数归纳如下。

①额定功率（kW)和电压（V)。

②电极相数。

③炉膛的有效加热区尺寸（mm)。

④额定工作温度（℃)。

⑤炉温的均匀性（℃)。

⑥最大装炉量（kg)。

⑦极限真空度（Pa)。

⑧工作真空度（Pa)。

⑨压升率（Pa/min或Pa/h)。

⑩空炉抽空时间（min)。

⑪空炉升温时间（min)。

⑫工件转移时间（min)。

⑬气体的消耗量（m³/炉)。

⑭冷却水的消耗量（m³/h)。

⑮外形结构尺寸（m)。

⑯炉体总质量（kg)。

在上述技术参数中，最重要的有极限真空度、工作真空度和压升率，它们是整个真空炉的关键特性参数，是衡量设备技术水平的硬指标。这些指标如果达不到要求，则根本无法实现真空热处理的目的。压升率是指真空炉达到极限真空度后关闭所有的阀，单位时间内炉内压力的上升情况，它是检验真空炉气密性的指标。通常极限真空度小于1.33×10^－2 Pa，而工作真空度为1.33～13.3Pa，压升率不大于0.67Pa/h。

5.真空炉的结构和元件

（1)真空炉的结构 真空炉是由炉体、真空机组、液压系统、控制系统、冷却系统等几部分组成的。气冷真空炉要具备氮气储气罐，为防止停水或水压不足等，要备有高空水槽，防止因停水而烧坏或烧蚀密封件、电极等。

真空炉的炉体和炉门由高强度钢板焊接而成，具有双层水套结构形式。炉门由齿轮、齿条传动开启和关闭，灵活方便。

加热室是圆形结构，石墨管状加热器和冷却气体喷嘴沿加热室的周围成360°均匀分布，高级碳毡及柔性石墨纸作为保温材料，结构轻巧固定。

（2)真空炉的加热元件 真空炉的加热元件有金属和非金属之分。

1)金属加热元件。金属加热元件通常分为两种，一种为贵重金属如钼、铂、钨、钽等；另一类为一般金属如镍铬耐热合金、铁铬铝合金、钼钨合金等。

2)非金属加热元件。非金属加热元件分为石墨和化合物两种，而化合物有碳化硅、硅化钼、二氧化钼等。其中碳化硅在高温下易粘结、分解，而二氧化钼在1300℃时会软化，只有石墨具有加工性能好、耐高温、耐急冷急热、塑性好、辐射面积大、抗热冲击性能好等特点，适于制作加热元件。

目前真空炉的加热元件常选用石墨棒（或管)或加热管等，具有膨胀系数小、发热性好、易于加工的特点，可做成棒状、板状、管状和带状等。在真空状态下，它们产生的热量通过辐射传递给工件，因此该类真空炉的加热速度慢，大型零件应进行充分的预热，必要时进行分段加热，既能克服加热后的内外温差，又能减小加热时零件的变形，有利于保证零件的热处理质量。

（3)隔热屏（炉衬) 它是加热室内主要的组成部分，其作用为使加热元件与炉壳分开，确保加热室的尺寸和有效加热区范围，通过隔热屏的隔热和保温，减少热损失，使零件在加热过程中温度分布均匀。考虑到所用材料应具有耐火性、绝缘性、抗热冲击性和耐蚀性以及良好的热透性等，一般有三种，即多层金属隔热屏、石墨毡隔热屏和夹层复合隔热屏。温度在1100℃以下的真空炉，使用不锈钢炉衬；而1100℃以上的真空炉则采用钼等高温合金、石墨毡以及陶瓷等材料。石墨毡作为一种新型的隔热材料，具有密度小、热导率小、无吸热性、耐热冲击性好和易于加工等特点。

（4)真空炉的冷却系统 根据零件材料的淬透性确定合理的冷却方法，同正常的热处理淬火一样，真空冷却有强制风（气)冷、油冷、气转油冷、硝盐冷却和水冷等几种方法，一般对具体的真空炉而言，其冷却方式是固定的。风冷系统由鼓风机、高效换热器、导流管和喷嘴组成，采用炉内循环形式的结构，具有冷却速度快的特点。

（5)真空系统 真空系统由机械泵、增压泵和扩散泵组成。炉体上装有真空计等测量仪表，随时观察炉体内的真空度，确保零件在真空状态下实现无氧化热处理。机械泵、增压泵组成的真空系统可获得中真空状态，机械泵、增压泵和扩散泵组成的真空系统能够满足高的真空度要求。

（6)炉内传动机构 为将零件推进和推出真空炉，必须有专门的装置，通常有链传动、气动、液压传动等。对双室或三室真空炉来说，炉内传动机构既要能保证室与室之间零件的传送，又必须不阻碍隔热挡板（门)的密封。

（7)电气控制系统 由磁性调压器、可控硅半控整流桥自耦调压器、微机控温仪等组成，实现了设备的自动化和机械化。设备具有自锁功能，任何错误的操作和指令都不会对真空炉造成危害，因此真空炉的安全性很高。

6.真空回火炉的发展、结构形式和主要技术指标

（1)真空回火炉的发展概况 真空热处理技术的迅速发展，为零件热处理工艺水平的提高奠定了基础，真空淬火炉和真空回火炉已经成为不可缺少的关键设备。真空淬火炉处理的零件具有表面无氧化脱碳、表面光亮和无腐蚀、无污染等优点，而如果采用盐浴炉、空气电阻炉、硝盐炉等设备进行回火则丧失了真空淬火的特性和意义。

（2)目前真空炉存在的问题 根据真空回火炉的工作特点可知，其在生产过程中存在下列问题:炉内的真空度偏低，零件表面的颜色变深，影响了外观质量；内部零件加热不均，造成回火后的硬度有变化；炉内气体的冷却速度有待提高。

图10-4 WZH型真空回火炉炉体结构

1—炉胆体及发热元件 2—炉胆后小门 3—换热器 4—冷却循环风扇 5—料筐 6—炉胆前壁（即导风口) 7—前炉门 8—炉门 9—炉壳 10—加热循环风扇

（3)真空回火炉的一般结构

这里以WZH-45、TS-45等类型真空回火炉为例介绍其炉体的结构特点。图10-4所示为WZH型真空回火炉炉体结构。整体分为炉壳、炉膛、加热室用加热循环风扇、冷却循环风扇、真空系统、充气系统、水冷系统、出装炉架和加热室供电、电控系统等部分，该类炉的主体为卧式圆筒形结构。

1)炉壳由炉体和炉门组成。炉体是双层圆筒，具有中空结构，内部通冷却水。炉体与炉门一般是嵌入式结构，采用压紧式形式，也可采用铰链连接，以确保炉门的密封。炉门为双层碳素钢结构，通水冷却。

2)炉膛由隔热屏、加热元件、加热搅拌风机、料台、导风板等组成。由双层不锈钢板制成隔热屏。使用的加热元件为0Cr25Al5电阻带（0Cr25Al5合金在生产和使用过程中出现的脆断与氢有关，而晶粒不均匀和内应力的存在又使材料的氢脆敏感性增加，更易出现脆断，因此要特别注意)或06Cr20Ni20金属带等。炉膛的上方装有加热循环风扇，保证零件在回火过程中受热均匀，料台可做成活动式的，以便于抽出。

3)炉内的换热器、导风板和离心风扇的叶轮或叶轮与电极等，均布置在炉壳的后面，风扇对着换热器。

4)真空系统是为了保证零件经真空回火后表面颜色合格，产品质量稳定，配备有罗茨泵、机械泵，与气动蝶阀、气动角阀等共同组成真空系统。

5)充气系统的作用是避免零件在加热过程中氧化，在零件加热时充入低于一个大气压的高纯度氮气（99.999％)，在冷却时氮气压力应高于大气压。为防止某些材料在加热的过程中氧化，一般充入体积分数约为10％的纯度为99.9％的氢气。充气系统由储气罐、手动蝶阀、减压阀、气动蝶阀、电磁阀和管路等组成。

6)水冷系统的作用为保证炉体各部分正常工作，炉门、炉壳、换热器、电极柄部、真空泵等都要进行水冷，同时为了防备因停水造成对上述部件的影响，必须备有单独的水塔或水箱。

7)电控系统采用PC机等对真空炉的加热系统、冷却系统进行程序控制，进行温度控制的自动化仪表的可靠性要高。

总结国内外真空炉的结构形式，吸收国外先进的技术，我国目前自主开发了许多类型的真空回火炉，主要的特点为:加热和冷却均采用了强制气体内部循环的技术；在炉膛的顶部装有加热循环风扇，形成对流来加热零件；炉膛后面的冷却循环风扇使冷却气体经过换热器和导风板，在零件的表面形成强制对流冷却。

10.3连续式保护气氛炉

10.3.1概述

保护气氛热处理设备从20世纪90年代以来迅速发展，目前使用的保护气氛热处理炉有井式渗碳炉、密封箱式周期炉、推杆炉、网带炉、辊底式炉、转底式炉、链板炉等，其中比较成熟的、应用比较广泛的为密封箱式周期炉、推杆炉、转底式炉与网带炉四类。这些设备实现了热处理生产过程的自动化操作。

1.连续式保护气氛炉的发展和应用

在零件的热处理过程中，加热设备是提供热源的基础，也是零件完成组织转变、获得所期望的力学性能的关键所在。加热设备不仅能保证正确贯彻和执行工艺参数，而且要具有生产率高、成本低、节省能源、无污染以及自动化和机械化程度高的特点。一般加热介质为空气、燃气、保护气体、真空等。在热处理过程中，炉内气氛中含有一定量的氧气、二氧化碳、水蒸气等具有氧化性的气体，这些气体与零件中的铁和碳等原子发生化学反应，即氧化还原反应，因此不可避免地造成钢铁零件表面出现氧化、脱碳，甚至是烧损等缺陷，严重影响零件的外观质量，且力学性能变差，例如，在交变应力的作用下，零件的疲劳强度会明显降低，并对零件的使用寿命带来不良影响。

目前国内汽车零部件热处理企业，大都采用井式炉、箱式炉、盐浴炉等对零件进行正常的热处理。盐浴炉除应正常脱氧外，其盐浴的腐蚀性很大，如清洗不干净，盐渣等粘附在零件表面上，尤其是产品的沟槽、底窝内，会造成严重的腐蚀，表现形式为麻坑、曲面、剥落等，同时也产生有毒有害物质。因此，加热时应在零件表面粉刷涂料、包套或采取封箱、控制加热炉内的还原性气氛等措施，从而有效避免这种现象的发生。一般热处理过程中防止或减少零件表面氧化脱碳的措施见表10-3。

表10-3一般热处理过程中防止或减少零件表面氧化脱碳的措施

采用连续式保护气氛炉时，通过控制炉气中CO₂/CO、H₂ O/H₂以及CH₄/H₂的相对含量，即可控制反应方向。所谓可控气氛是指将炉内气体混合物控制在预定范围内，其目的是有效地进行渗碳、氮碳共渗等化学热处理，以及防止钢件在加热时氧化和脱碳，采取相应的保护措施，确保表面状态和成分无变化，我国把保护气氛和渗碳气氛统称为可控气氛。

为确保零件不脱碳和保持钢表面含碳量不变，在实际生产过程中，将CO₂/CO、H₂ O/H₂的比值控制在一个比较小的范围内，使钢的反应处于平衡状态，既不脱碳也不增碳。实现炉内气氛控制，满足零件尺寸精度的可再现性、质量稳定性和表面无氧化脱碳的处理要求，降低氧化性CO₂、H₂ O的含量，避免上述缺陷的产生，实现对零件热处理过程的保护。

国外自20世纪30年代开始以天然气、液化石油气等制备放热式气氛和吸热式气氛，技术逐渐成熟。匈牙利主要气门生产厂采用的技术成为20世纪50年代西方国家保护气氛热处理技术的主要发展方向，避免了气门表面在加热过程中的氧化脱碳现象，同时具有气门变形小、质量稳定、生产率高、节约能源、劳动强度低等特点。20世纪70年代碳分子筛吸附分离空气制备氮基气氛技术的开发，使保护气氛热处理技术获得了飞速发展。我国的保护气氛热处理技术在20世纪70年代后期才发展了吸热式气氛，80年代后期，滴注式气氛和氮基气氛的出现填补了我国可控气氛的空白，为保护气氛的应用提供了技术和经济上的保障。

保护气氛炉具有良好的密封性，炉内的气氛可以十分方便地调节和控制，因此可进行多种零件的热处理，如日常的标准件、轴承、弹簧、刀具和量具、发动机用气门、连杆及曲轴、弹簧钢板、各种模具等，实现了零件的无氧化脱碳处理，表面光亮，保持了原始状态，在使用中具有良好的力学性能。

保护气氛炉的工作特点为:

1)工艺的灵活性好，调节方便，节省电力，适合各种大批量和小批量的作业。

2)炉内温度和气氛的控制手段先进，温差小，气氛调节迅速，可进行自动报警和自锁。

3)设备的自动化程度高，整个热处理过程实现自动上料、加热、冷却等，生产率高。

4)炉内组分均匀，产品质量稳定。

5)炉子的密封性好，阻止外界空气进入，实现了零件的光亮热处理。

保护气氛炉与清洗机、脱脂机、回火炉、装卸料车等组成一条生产流水线，完全可满足零件批量生产的需要，为零件热处理的机械化和自动化奠定了基础。

2.常见保护气氛的类型

根据保护气氛的特点，按原材料制取方法的不同，保护气氛通常可分为四类。

（1)吸热式气氛 将原料气（液化石油气或天然气)与空气按C、O原子比为1∶1混合，加入催化剂后在外部供热的条件下，在罐内进行反应即可制成吸热式气氛。其成分与原料气的种类有关，一般各成分的体积分数为CO 20％～24％，H₂30％～40％，N₂38％～45％，少量的CO₂、H₂ O和CH₄等。吸热式气氛主要用于气体渗碳、碳氮共渗、气体氮碳共渗等，同时也可进行钢的保护加热，该气氛的应用十分广泛，具有制取成本低、组分稳定、易于实现碳势的自动控制、零件的外观光亮等特点。

（2)放热式气氛 原料气与空气进行不充分燃烧，其产物经空冷除水后制成放热式气氛，根据气氛中还原性组分CO、H₂含量的多少，分为浓型和淡型两种。

（3)净化放热式气氛 指放热式气氛经过沸石分子筛净化后，除去CO₂和H₂ O而获得的气氛，它广泛用于各类零件的保护加热。

（4)氨分解气氛和氨燃烧气氛 将氨通入有催化剂的反应罐内，氨在一定的温度下分解，即可获得氨分解气氛（氮气、氢气和氨的混合气)；使氨与空气混合后燃烧，经冷却器干燥去水，便可制得氨燃烧气氛。氨分解气氛和氨燃烧气氛主要是氮气、氢气等保护性气体，不含有CO和CO₂，因此加热过程中不会出现渗碳倾向。

气氛中的氮气和氢气适用于高铬钢、高铬耐热合金、不锈钢、镍铬合金、硅钢片等零件的光亮热处理，也可用于黄铜及铜合金的退火、低碳钢的退火、高合金钢的淬火加热、金属钎焊、钢件的高温回火等，这两种气氛应用最广。四种主要保护气氛的应用范围见表10-4。

表10-4四种主要保护气氛的应用范围

3.滴注式气氛的选择和炉内碳势的控制

根据汽车零件的技术要求，结合各种滴注式气氛的特性，下面推荐几种供参考:甲醇＋煤油，甲醇＋醋酸乙酯，甲醇＋丙酮，煤油＋空气，甲醇＋异丙醇，甲醇＋甲苯等。应当注意到甲醇是起稀释作用的，同时渗碳剂的裂解应充分和完全，这是选择气氛的基本原则。

在保护或可控气氛炉内可进行零件的各种热处理，要保持零件表面获得理想的状态，一个重要的炉内技术指标为碳势，它是表示含碳气氛在一定的温度下，改变零件表面含碳量能力的参数，也表示碳从一相溶入另一相的能力。

在保护或可控气氛炉内加热零件时，要对表面的含碳量加以控制，其实质是控制炉内气氛的组分，目前多采用氧探头控制，也实现了计算机的多参数碳量控制，而用电阻探头控制碳势是唯一直接控制碳势的方法。

4.保护气氛炉的特性和防爆措施

保护气氛炉具有的基本特性为:炉子的密封性好；设备的机械化和自动化程度高，具有保护装置和自动报警装置；炉内气氛均匀，温度的波动小；有安全防爆装置。

为了避免保护气氛炉发生爆炸，对于800℃以上工作的保护气氛炉，在升温过程中可采取两种措施:①在设备升温前将氮气或保护气氛通入炉膛内，驱赶炉内的空气，在确认炉内空气基本干净后，可升温通气，在800℃前炉子必须处于正压状态；②采用压缩空气吹扫炉膛，驱走可能存在的可控气氛后，升温到800℃通入保护气氛，通常认为保护气体体积为炉膛体积的5倍大小时，炉内和烟道等内的空气被置换完毕。对于在800℃以下工作的炉子，采用中性气体（氮气等)、可控气氛等吹扫炉膛或置换炉内空气，直到炉内气氛符合要求，然后升温通入保护气氛进行零件的热处理。

从上面的措施来看，炉内不允许存在空气是炉子升温的前提条件。当空气增加与保护气氛降到着火范围内，若有火星存在就有爆炸的可能。为防止800℃以下炉子吸入空气积累，一是炉子的密封性好，二是炉内处于正压状态，三是要求采用中性气氛（如氮气等)。

5.保护气氛炉的发展方向和趋势

1)进一步将工艺、设备和先进技术相结合组成智能化计算机在线控制的保护气氛热处理生产线，炉内气氛控制可靠，工艺的重复性好。

2)研制开发性能优异的传感器用于保护气氛生产的技术参数测试、监控和故障调节控制等，炉型趋向多用炉，安全操作设施不断完善。

3)低压真空渗碳技术的应用范围进一步扩大，真空与保护气氛相结合，减少气体的消耗量。

4)气体淬火技术的应用范围进一步扩大。

5)提高处理温度、缩短工艺时间的高温渗碳技术进一步发展。

6)开发更安全环保的密封气氛热处理炉淬火系统等。

6.连续式保护气氛炉的类型

连续式保护气氛炉作业的特点是:生产率高，适合大批量作业；设备的机械化和自动化程度高；炉内分为加热、保温和冷却区域，可分别控制各区的功率，炉温的均匀性好等。根据零件在炉内的运动形式的差异，保护气氛炉主要分为以下几种:

（1)网带式保护气氛连续作业炉 将工件放在传送带上（或网带上)逐渐向前移动，完成零件的热处理。该类设备适合于中小零件的淬火、正火、退火、回火、碳氮共渗等热处理工艺，是目前国内外汽车零部件行业推广使用的热处理炉。

（2)振底式保护气氛连续作业炉 将零件直接放在炉底上，靠炉底的往复振动使零件向前运动。该类设备适合螺栓、垫片、轴承等中小零件的热处理。

（3)推杆式保护气氛连续作业炉 将工件放在料盘上，料盘在炉底板导轨上向前移动（或脉动)。该类设备广泛应用于汽车、拖拉机轴承等机械零件的热处理，可用于气体渗氮、碳氮共渗、退火等热处理工艺。

10.3.2网带式保护气氛连续作业炉

网带式保护气氛连续作业炉是热处理过程中应用比较广泛的一类，其具有生产率高、炉内气氛稳定、零件的表面光亮、设备的自动化和机械化程度高等优点，因此多用于大批量的生产作业，处理的小型零件有标准件、弹簧、链条、轴承、气门、量规等。炉内气氛采用滴注式系统或专门的保护气氛发生装置供给，确保气氛的均匀和前后的一致，实现零件的无氧化和脱碳处理，处理后的工件表面光亮、无脱碳层、硬度均匀，提高了零件的力学性能。

网带炉的特点为:零件加热均匀，在炉膛内不受冲击和振动；零件的变形量小，产品质量稳定；完全实现光亮淬火、正火、退火、回火以及化学热处理等。

采用网带式保护气氛炉可进行零件的化学热处理、调质处理、一般的淬火＋低温回火等，是由其自身的特点决定的:由于采用辐射管加热以及网带寿命的大幅度提高，其在国内外标准件行业中得到了广泛的应用，炉内布料和加热均匀、零件热处理质量稳定、工作环境好等；碳势控制技术的应用，使炉内碳势控制精度达到±0.03％，确保在保护气氛下完成零件的热处理，保证了零件的热处理要求；计算机技术的应用，可按照工艺设定自动完成零件的生产全过程，包括记录、保存零件生产中的各种工艺参数，具有完整的故障诊断、显示，安全警示及联锁功能；快速淬火油和水基淬火冷却介质得到广泛应用，快速淬火油保证了高强度零件（如螺栓)的热处理内在质量，水基淬火冷却介质解决了零件淬油不硬、淬火开裂以及零件变形的质量问题。

采用网带式保护气氛炉，零件热处理质量好，重现性好，自动化程度高。但因其采用耐热钢网带传送热处理零件，故不能承受大的质量，目前在标准件、轴承、内燃机气门、丝锥、圆板牙等产品领域应用比较广泛。

该类设备通常采用甲醇＋氮基气氛系统进行内部保护加热，具有设备和生产成本低、生产运行稳定、维修方便、不受电气与水源的影响等特点，其最初是为英国氧气公司（BOC)开发的产品，生产的气氛与吸热式气氛相同。从甲醇裂解的反应可知，裂解产物为H₂（体积分数为66.7％)和CO（体积分数为33.3％)，通过调节甲醇裂解产物和氮气的比例，生成类似吸热式气氛的20-40-40型可控气氛，使气氛既可作为保护气氛应用，也可作为渗碳气氛使用。

1.网带炉的结构形式和主要特点

网带炉有两种形式:一种是有炉罐网带炉，该炉的加热元件（如辐射管等)在炉罐的外面，具有气密性好、节省气氛、能保护加热元件和炉衬不受腐蚀等特点，其缺点为成本高、使用寿命短；另一种是无炉罐网带炉，其特点为炉体结构简单、生产成本低，但炉体的密封性差，耗气量大。

网带的传动方式有两种:一种为炉底板拖板驱动网带，网带放置在拖板上，产生往复运动的偏心轮驱动拖板，回缩时网带停止前进且不后退，二者之间就发生相对摩擦，因此网带的拉力减小，故提高了网带的使用寿命；另一种为网带由前后两个滚筒靠摩擦力拖动，网带在炉膛内由辊子支撑，该结构简单方便，松紧易于调整，目前广泛采用该种形式来拖动网带的运动。

网带炉采用的加热元件应根据网带炉的传动方式来确定，通常规律是无炉罐的使用电热辐射管，而有炉罐的则采用电阻带或电阻丝等，二者各有自己的特点。

图10-5 无炉罐网带式淬火炉示意图

1—风扇 2—进气口 3—网带 4—托辊 5—抗渗层 6—淬火口 7—油帘装置 8—辐射管 9—保温层 10—炉壳 11—气帘装置 12—驱动电动机 13—传动轮 14—张紧鼓

在零件的加热过程中，起传递零件作用的网带既是传动工具，又是承载体，还要承受反复的加热与冷却，其工作环境和条件较差。因此，要实现安全运行，网带材料必须具有一定的性能，以下几点为选择的依据:载荷的大小，加热温度的高低，炉内气氛的组成，产生的污染气体的成分，网带传动的方式等。图10-5所示为无炉罐网带式淬火炉示意图。

2.炉体的组成

这里以UM8060型网带式保护气氛炉为例介绍其各部分的结构和特点。完成任何零件的热处理，除了具有热处理加热设备外，还必须有配套的辅助设备。网带式保护气氛连续作业炉与上料机构、前清洗机、淬火油槽（或水槽、盐浴等)、后清洗机等组成一条自动化热处理生产线。目前网带炉的形式较多，其典型形式如图10-6所示。该网带式保护气氛炉生产线由自动上料机、前清洗机、加热炉、油槽、中间清洗机和回火炉等构成了完整的热处理生产线，其自动化和机械化程度高，处理的产品表面无脱碳、无氧化，质量稳定，生产率高，节能降耗明显，因此在热处理企业应用十分广泛。

图10-6 网带炉生产线示意图

1—上料机 2—清洗机 3—网带式淬火（渗碳)炉 4—淬火槽 5—中间清洗机 6—网带式回火炉 7—发蓝槽

（1)自动上料机构 由提升装置、滚筒限高装置和振动给料装置三部分组成。零件提升到达清洗机的上方储料盘，依靠振动将零件均匀传送到清洗机内，根据需求的供应量，可用挡板控制零件清洗的数量，或用料钩将零件扒到送料网带上，整齐排列由送料轨道将零件输入清洗槽内。

（2)清洗机 由清洗槽、空气电加热器、油水分离器等组成，可完成零件的浸泡、喷淋、吹风机吹干、温水清洗、烘干等。由油水分离器把油、水分开回收，使零件在进入加热炉前已经清洗干净，确保将零件表面的油污、尘土等除净。避免油、脏物等造成炉内气氛的波动和变化，同时也保持了炉膛的清洁，延长了网带炉的使用寿命。安装的管状加热器保持水温在40～80℃，烘干加热器温度在120℃，完全可保证零件表面无水珠存在。

（3)保护气氛加热炉 根据零件的具体技术要求，炉膛可采用有炉罐或无炉罐加热。后者为目前网带式保护气氛加热炉常采用的结构形式。它具有良好的气密性，炉壳用5mm厚的钢板密封焊接而成，内部砌抗渗碳砖，在预热室的入口设有火帘密封装置，在保温区配有搅拌用的循环风扇，确保炉内温度的均匀，气氛的入口在风扇处，废气自动点燃后从前后两处排出，炉膛内装有36根各7kW的电热辐射管，组成了加热系统。电热辐射管分别横于网带的上部、下部及零件出口的前侧、左右侧等部位，确保炉内各处的温度均匀一致，同时所有的孔洞如热电偶孔、风扇轴孔、加热元件引入孔等全部密封，确保了网带炉内成分的稳定。

电热辐射管以电磁波的形式向外辐射热量，它是将电阻丝或电阻带密封在耐热钢管或陶瓷管内的一种电热元件。电阻丝或电阻带发出的热量经管体表面辐射至炉膛空间，由于电阻丝或电阻带被密封，隔绝了炉气对其的化学作用，因此有效延长了电阻丝或电阻带的使用寿命。国内外的热处理设备大多采用电热辐射管或燃气辐射管。电热辐射管具有不用变压器、易于安装、不必停炉等优点，是其他热处理设备无法比拟的。

网带式保护气氛加热炉由网带驱动装置、炉内气氛搅拌器、前室、排烟装置等组成。通常该加热炉有五个加热区，其中有一个预热区（前区)可确保炉内气氛符合要求。各区单独控温，辐射加热管采用插入式接头结构，更换方便。该网带加热炉的功率为240kW，网带全长为8m，网带宽度为600mm，最高工作温度为1100℃。网带驱动装置通过链条驱动滚轮，网带靠压紧轮和驱动滚轮之间的摩擦而运动。该装置为无级调速结构，运行速度为0.034～0.34m/min，零件在炉内的时间为10～180min，炉内碳势采用氧探头控制。

零件的加热时间应根据其直径或有效厚度的大小、材质、装炉量、摆放方式、变形量等几方面加以考虑，零件在完成加热后可进行硬度和晶粒度的检查，以确定最佳的加热时间。

（4)淬火油槽 油槽为长方体结构，内部配有搅拌器、油帘、油循环系统、温度控制系统、冷却系统以及网带提升装置等。网带提升装置是将零件从油槽中提升的传送装置，能够确保零件在淬火过程中的硬度和变形符合技术要求。

（5)网带式清洗机 其基本结构同热处理前零件的清洗机一样，用于去除零件淬火后粘附和吸附的淬火油，为后面的回火做好前期的准备。这样不仅保证了零件淬火后表面状态的清洁，而且为回火炉膛免遭污染创造了条件，从而实现零件的光亮回火。

（6)网带回火炉 该炉网带运动为无级调速，网带由滚筒带动前进。炉内温度采取四区分别控制，同时炉膛上方设有四个搅拌风扇，以确保炉内温度的一致和均匀。加热元件为辐射加热管，布置在炉体的两侧，共有24根，总功率为96kW。该炉的最高加热温度为700℃，可用于零件的回火处理，也可进行普通的去应力退火、时效处理等。

（7)冷却系统 回火后零件的冷却方式可根据技术要求而定，通常采用的冷却方式有水冷、油冷、空冷和冷却风机强制吹风（或喷雾冷却)等，对于具有第二类回火脆性的材料，在450～750℃之间回火后必须水冷或油冷才能防止回火脆性的发生。汽车发动机上的进、排气门使用了低碳合金钢（如40Cr、45Mn2等)和马氏体耐热钢（如42Cr9Si2、40Cr10Si2Mo、42Cr9Si2、90Cr18MoV等)，经回火后均进行水冷，目的是避免回火脆性的产生。

零件从加热到回火的过程中，始终随网带移动。由于网带运动平稳，零件彼此之间无撞击和积压等，因此在加热过程中不会出现压弯、变形的情况，极大地减轻了零件校直的工作量。同时，处理后的零件表面状态良好，各种力学性能都有很大的提高，相应地减少了加工余量。

3.网带炉的操作和运行

（1)加热炉 炉子自室温加热时，为了延长炉内结构的使用寿命，要分三个阶段进行缓慢加热，以防止温差太大造成网带的变形，而无法正常工作。

（2)网带的调速 要依据零件的材料、有效直径、装炉量、炉温、零件的摆放方式等进行综合工艺试验后，确定合理的运动速度。原则为既要经济，又要提高生产率。

（3)传动系统的调整 按工艺要求的时间进行频率的调节。

4.淬火冷却系统

根据热处理冷却介质和零件的淬火特点，冷却系统具有自动控温功能，配有超温报警装置，对油面的高度、油的循环等实现了自动化控制，温升和提升机的运行速度控制在工艺要求的范围内，可确保冷却系统完全满足零件的技术要求。

用辅助泵给冷却槽添加油时，油面离槽口的距离在100mm为宜。冷却槽在起动前要检查循环泵进出口的阀门是否打开，泵的转向和提升机的传动系统正常与否。严禁在零件的冷却过程中加入冷却介质，还应随时检查油温的变化情况和散热器的工作状况。

5.保护气氛的供给

当炉内温度达到750℃以上时，才能滴入甲醇（或乙醇)或其他有机液体。通过汽化装置对液体状态的介质进行加热，汽化后供给保护气氛炉，该炉也可通入高纯氮气、氨气或二者的混合气体等，实现零件的无氧化加热。通常使炉膛内的保护气氛从炉膛的后部流向炉门口，点燃后形成火帘，这样可防止外界空气的进入，确保炉内成分的稳定。

为确保炉内气氛的正常供给，其汽化系统的组成为滴注剂、电磁阀、液体流量计、汽化装置等。下面以甲醇为例加以说明。

1)检查储液罐是否正常，各种相关的阀门、管道、流量计、压力表等是否符合要求。

2)打开空气压缩机气路阀门，使储液罐内的压力达到0.15～0.2MPa。打开保护气氛供给系统阀门，甲醇在压力的作用下滴入炉内。

3)打开流量计并调整流量的大小，使甲醇分解后的气氛自炉膛的后部向炉门口流动，在炉门形成火帘以阻止外界空气的进入和防止可控气氛的逸出。

汽车发动机进、排气门，采用合金结构钢、马氏体型耐热钢、奥氏体型耐热钢以及高温合金等制造。经过热处理后的气门表面应无氧化、脱碳现象，硬度在30～40HRC，校直后的气门杆部直线度误差和轴向圆跳动应不大于0.15mm。既可采用高效率的机械校直或热校直，也可进行手工校直，为后续的机械加工提供合格的几何尺寸。

6.设备点检的内容

为确保网带炉的正常工作，在日常操作中要进行如下检查:电气装置齐全、灵活、可靠；网带运行平稳，无破损；各处轴承运转良好，无噪声；各金属套冷却状态良好，无渗漏；各处电流表、电压表、热电偶、温度计、流量计等工作正常；引火嘴管道无堵塞，火焰正常；冷却油槽油温和液面正常。

10.3.3振底式保护气氛连续作业炉

1.振底式保护气氛连续作业炉生产线的组成及特点

该类热处理设备由上料机、加热炉、淬火槽等结构组成，其主体为炉体、振底板和振动装置，它依靠惯性力作用脉动向前移动来实现对零件的推进，具有机械化程度高、质量稳定性好、生产成本低等特点，是比较合理和实用的热处理设备。为防止零件在加热过程中出现氧化和脱碳，影响零件的使用寿命，振底炉连续生产线（图10-7)要采用保护气氛加以保护。

图10-7 振底炉生产线主要结构简图

振底炉为依靠振底板的往复运动使零件前移而完成加热工艺的一种热处理设备，可实现零件热处理的连续化作业。该炉具有结构简单、自动化程度高、节能效果好、操作和维修方便、零件的产品质量稳定等特点，因此应用较广。

2.振底炉的类型、工作原理和结构特点

振底炉的振动结构可分为电磁式、机械式和气动式三种。(https://www.daowen.com)

图10-8 电磁式振底炉

1—支架 2—减振橡胶 3—压紧螺栓 4—工作台（配重 )5—电磁铁 6—弹簧板 7—连接片 8—张紧弹簧 9—加料盒 10—加料斗 11—振动炉罐 12—炉盖 13—电阻丝 14—支承 15—滴量器 16—炉体 17—保护气进口 18—液压泵 19—输送带支承板 20—输送带出料机构 21—油管 22—油箱 23—蛇形管 24—电加热器

（1)电磁式振底炉 电磁式振底炉如图10-8所示。由硅整流器半波得到断续的脉冲直流电，使电磁铁交替进行吸引和释放，在振动簧片的弹力作用下产生往复运动。零件放在上料斗的底部，由于振动零件沿螺旋斜坡上升进入振底炉。用电磁振动上料机构，出料采用振动或网带输送，可实现零件的全部自动化作业。电磁式振底炉利用共振驱动零件向前移动，其结构简单，驱动力比较小，采用时间继电器来调节加热时间，用于小型零件的热处理。

（2)机械式振底炉 该类热处理设备分为两类，即凸轮连杆式和平面凸轮振动式。前一种利用凸轮的旋转将蜗轮杆顶高，主轴旋转将振底板向后拉出，该类运动可靠，结构比较复杂，采用无级变压器调节加热时间，多用于中、小型零件的淬火、退火、回火等热处理工艺。平面凸轮振动式利用无级变速器带动平面凸轮旋转，使振底板突然停止，工件则利用惯性向前移动，由于炉子的振动周期靠无级变速器调整，因此可以满足不同零件的热处理要求。

（3)气动式振底炉 气动式振底炉如图10-9所示。调节时间继电器或旋转分度触头，利用气缸带动振底板加速向前运动，然后靠气垫的反压使振底板突然停止，工件在惯性的作用下向前运动一段距离，气缸则缓慢运动使振底板复位。

图10-9 气动式振底炉

1—热电偶孔 2—炉底板 3—电热元件 4—碳化硅砖 5—炉底搁砖 6—保护气进口 7—水油膜喷口

气动式振底炉具有结构简单、动作灵敏的特点，但其受气压波动的影响较大，气缸活塞容易损耗，同时工作时振动大。采用时间继电器来调节工件的加热时间，可用于各种零件的热处理。

一般零件运动的快慢同气缸的运动速度及炉底板的振动频率大小有关，调节气缸运动频率的大小，则可得到不同的零件移动速度。

3.振底炉的主要组成部分

一般振底炉的工作过程为:依靠驱动机构使炉底板加速前进，当速度达到一定值时突然停止运动，使炉底板上的零件借助于惯性，克服与炉底板的摩擦力向前滑移，随即炉底板返回。通过炉底板周期性的往复运动使零件在炉底板上脉动向前移动，最后移出炉外，完成零件的热处理过程。

与网带炉和推杆炉相比，振底炉的炉底板始终处于高温状态，不经受冷热交替，因此炉底板的使用寿命长，同时克服了推杆炉料盘堆积拱料现象，适合于各种尺寸工件的加热，进出炉十分方便。

炉底板的材料有两种:金属板炉底板和耐火混凝土炉底板。温度低于700℃时，使用普通碳素钢板焊接成槽形炉底板；温度在700～900℃时，炉底板用15～20mm的耐热钢板（06Cr18Ni11Ti、20Cr15Mn15Ni2N、16Cr25Ni20Si2等)或铬锰氧钢（26Cr18Mn12Si2N)浇注而成。而耐火混凝土炉底板由于脆性大，在工作过程中受振动易断裂，故一般不再使用。

下面介绍振底炉的主要结构组成。

（1)装料机构 零件倾倒在振动料斗和滑槽内，经称重器控制将零件倒入提升料斗内，料斗内的零件经传动机构提升到振底炉装料口，零件自动滑入清洗机内，经过清洗、喷淋等后，被输送到炉底板上，炉底板以一定的振幅振动，零件在振动过程中进入加热室炉膛内。装料机构通常有三种，即扇形齿轮推料斗、抽板式送料斗和电磁牵引加料斗，三者的结构不同，具体选用应根据零件的尺寸、形状和技术要求等来确定。

（2)加热炉 加热炉是整个生产线的心脏，它由加热和保温两段炉膛区域组成。加热元件为气体加热辐射管或电加热辐射管，其均匀布置在炉膛内。炉底板由陶瓷砖支撑，为了确保加热区和保温区的炉温均匀一致，炉底装有炉内气体循环搅拌风扇，各区域配有单独的温度控制系统，可实现自动控制。

（3)冷却系统 炉内零件保温结束后，自炉膛滑入淬火槽内冷却。根据零件的材质、金相组织和硬度的不同，可选用盐水、油、硝盐浴等作为淬火冷却介质。淬火槽内配有冷却搅拌装置。冷却后零件由钢制传送带送进后清洗槽中清洗和喷淋，进入回火炉完成热处理的组织转变。

10.3.4推杆式保护气氛连续作业炉

1.推杆炉的应用和工作特点

在推杆式保护气氛炉中零件依靠液压或压缩空气驱动顶杆，一盘一盘进入炉中和自炉内顶出，为大批量生产用热处理设备，多用于中小零件的退火、正火、淬火、回火和渗碳、碳氮共渗等，在机械行业零件的热处理中占有一席之地。推杆炉以电能为热源，电流通过电热元件发热，通过辐射和对流的方式传给工件，将零件加热到要求的工艺温度。

该类炉是一种适应单品种大批量生产的热处理设备，其具有生产量大、质量稳定、质量重现性好、自动化程度高以及节约能量等优点，为目前单品种大批量热处理零件生产的首选设备。由推杆炉、回火炉、清洗机、预处理炉和淬火油槽等组成的完全自动处理的热处理推杆炉自动生产线，可进行零件的清洗、预氧化处理、排气、加热、渗碳、扩散、淬火、回火等一系列工序过程，其对炉温、气氛、机械传动、炉子安全性等进行全面的自动控制，确保设备在安全的状态下运行。

该类炉子具有以下特点:炉膛内温度分布均匀，温差在±（3～8)℃；满足多种热处理工艺要求，热量不易散失，故热效率高；液压或压缩空气推进料盘，易于实现机械化和自动化操作；劳动条件好，无环境污染；通入保护或可控气氛能够进行零件的保护加热和化学热处理；工作温度范围宽，自动控温。

2.推杆炉的结构组成

推杆炉主要由下列部分组成:主推料机构、前室、前室门、防爆阀、内炉门、炉体、侧推料（或拉料)机构、后炉门、后室、淬火槽、升降台等，可进行化学热处理（如渗碳)及光亮淬火等。与清洗机、回火炉以及料盘传动机构结合构成生产线，可实现全过程的自动化控制。

（1)炉体 炉体由炉壳、炉衬、炉膛、风扇和炉门等部件组成。

炉膛一般由预热室、加热室和预处理室等组成，每室中间交接处炉膛减小，使各区温度和气氛的相互干扰减少，从而减少对各区保温温度和含碳量的影响。导轨由耐热钢或碳化硅制成，料盘放置在导轨上进行零件的加热。零件从后室移出炉门进行退火或淬火，淬火油槽（或水槽)在炉门的下方。

（2)其他辅助装置 淬火机构由淬火升降台、淬火槽、搅拌器和循环系统等组成，该机构应确保淬火冷却介质的温度控制在工艺要求的范围内。淬火冷却介质应根据零件的热处理技术要求正确选择，淬火冷却介质若为液体，则要配备油泵或水泵，以满足不同的工艺要求。炉膛内几个加热室的上方分别配有风机，能保证炉膛内温度的一致。推杆炉结构如图10-10和图10-11所示。

（3)T-85、T-140推杆炉的结构组成T-85、T-140两种推杆炉的生产率为850kg/h，为半自动化作业，专供中小尺寸零件进行淬火、正火、退火、回火和化学热处理等，其最高工作温度分别为650℃和950℃。T-85热处理炉前室、中室和后室的功率分布为43kW、20kW、22kW；T-140热处理炉前室、中室和后室的

图10-10 推杆式热处理炉

1—推料机构 2—炉门 3—炉门升降机构 4—热电偶 5—炉衬 6—电热元件 7—悬挂叉

图10-11 推杆式回火炉

1—炉架 2—炉门 3—炉膛 4—炉体 5—炉门升降机构 6—热电偶孔 7—循环风扇 8—纤维炉衬

功率分布为73kW、31kW、36kW。从炉膛内功率的分布来看，前室的功率最大，原因在于冷的零件进入炉膛内需要吸收大量的热量。当零件被推进中室和后室时，零件已经到温并保温（透烧)，因此功率减小了。

1)推料机构。推料机构间歇地把放在轨道上的料盘推入炉内或炉外，零件在炉膛内运行时与料盘相对静止，出炉淬火时料盘自动反转倾斜将零件倒出。推料机构由液压缸和推杆组成，其将装载零件的耐热钢（材料一般为06Cr25Ni20)料盘推进加热炉内进行加热，其行程由两限位开关控制，送料一次液压缸自动往返运动一次，炉膛内外有轨道相通，二者的水平位置一致，料盘被推进炉膛后开始加热。零件与料盘一起向前运动过程中完成零件的加热过程，通常淬火处理的方式有料盘与零件同时淬火、二者分离淬火两种。前者仅用于尺寸较大或对变形要求严格的零件，通常不采用该方法；后者是将零件散落在淬火冷却介质中进行冷却处理，具有冷却均匀、料盘使用寿命长、能耗低、炉内气氛稳定等特点，目前汽车零件制造中部分零件如气门、销轴、标准件、轴承等小型零件大多数选用这种方法进行冷却。

2)加热室。加热室为推杆炉的主体，是完成零件热处理的关键区域，它由铸钢和钢板焊接而成，两端由铸铁面板封住前后炉门。炉膛内由耐火材料砌成，内置加热元件，分别布置在炉膛的两侧，炉顶部装有搅拌风机，加强炉内气氛的对流。为防止零件加热时出现氧化或脱碳，可采用有机液体分解的方法或通入保护气体。炉内由三个区域组成，分别为预热区、加热区和保温区。料盘的送入和移出完全由液压系统完成。

3)卸料台。卸料台是由角钢焊成的支架，上面装有一对轨道，用来承接从加热炉推出来的料盘。

4)液压装置。采用了齿轮液压泵，产生的高压油驱动推杆和控制炉门的升降。

5)电气控制柜。其工作程序为:提升炉门后，将卸料门端已经加热结束的料盘取出；放下炉料门，提升装料门，由推料机构将已经装满零件的料盘推入加热室，放下加热室炉门，零件在推杆炉内进行加热。

推杆式保护气氛连续作业炉具有自动化程度高、热处理质量稳定、重现性高等特点，适用于大批量、单品种零件的热处理。其控制系统采用了计算机控制，炉门的开启、关闭均按指令自动进行。其与回火炉、清洗机等连成一条完整的热处理生产线，在生产线上可进行零件的渗碳、淬火、回火以及清洗等工序。

该推杆炉的缺点是:料盘反复加热和冷却，造成热量的部分散失；对要求硬度不同的产品进行处理时，需将原有零件全部推出后方可调整温度，故其工艺适应性差。

10.4燃气高温炉

1.燃料炉的发展历史

一般热处理加热设备存在以下问题:

1)设备的自动化程度低，基本上还是手工操作，工人劳动强度大，劳动环境差。

2)电力消耗大，炉温的均匀性差，易造成晶粒的长大。

3)加热的方式多为辐射或对流，生产率低，不适合大批量作业。

4)加热的介质为空气或盐浴，零件表面在热处理过程中往往会受到氧化和脱碳，影响其使用寿命。

考虑到以上不足，要实现零件的机械化和自动化操作，确保加热炉内温度的均匀性，避免零件的氧化和脱碳现象的发生，提高设备的利用率和零件的使用寿命，同时也提高热处理工艺水平，需要不断开发新的热处理设备和采用新技术、新工艺。

燃气炉是对金属零件进行热处理的主要设备，在几十年的生产过程中，伴随着新能源的开发和燃烧技术的不断提高，其各项技术指标有了长足的进步，向着提高热效率、加大装炉量、产品表面光亮、内在质量得到有效控制等方面发展。目前国内外许多热处理企业也致力于解决电力紧张的难题，不断探讨采用燃料炉的作用。将燃料燃烧转化为电力，再用电转变为热来加热零件，这实际上是能源的巨大浪费，利用率不到50％。因此，燃料炉在许多企业得到了推广和应用，用于零件的锻造加热、退火、普通热处理以及部分化学热处理等，获得了良好的社会效益和经济效益。

2.燃气炉的类型和结构特点

根据燃料炉使用燃料的状态不同，可分为固体燃料炉、液体燃料炉和气体燃料炉三类。其中固体燃料炉以燃煤为主，大多为块煤、煤屑、煤粉和焦炭等，半煤粉改进的燃料炉也已经出现。一般固体燃料炉的炉膛大，多用于零件的退火、固体渗碳和一般的热处理等。这里重点介绍汽车零件热处理用燃气炉的类型与特点。

气体燃料炉（简称燃气炉)以天然气、工业煤气、液化石油气等为原料进行零件的热处理。可燃气体和空气在炉内混合，燃烧充分，同时可控制其燃烧过程，来确保炉膛内温度的均匀性。气氛呈还原性，通过调节炉内气氛能抑制零件的氧化和脱碳，可满足各种零件热处理工艺的需要。

燃气炉的制造比较简单，易于实现操作的机械化和自动化，操作者的劳动强度低，是一种经济适用的燃料炉，使用的气源为各种煤气（如发生炉煤气、富氧煤气、焦炉煤气或城市煤气等)和天然气，个别的采用液化石油气。气体燃料具有燃料来源广、成本低等特点。

（1)燃气炉的分类 按热处理工作的性质，燃气炉分为周期式作业炉和连续式作业炉。常见燃气炉的炉型和应用范围见表10-5。

表10-5常见燃气炉的炉型和应用范围

（2)燃气炉的构成 炉架是用来固定炉砌体的金属结构件，具有高的结构强度，能保持炉子的密封性。砌体是承受载荷的主要结构部分，根据炉墙、炉底、炉顶的结构形式来确定耐火材料与绝缘物质，炉膛、排气烟道的设计应合理。测温孔、观察孔、排烟口、烧嘴的位置与数量以及布置等方面应符合技术要求，常用的砌炉用泥浆及填充材料、涂料等要确保合格。

（3)燃气炉的辅助装置

1)烧嘴（喷嘴)即燃烧装置，燃料炉的热量供给是靠气体燃烧实现的，烧嘴（喷嘴)在燃烧过程中提供一定温度的气体，在加热过程中起到促进燃气流动、强化循环的作用。燃烧装置具有下列特点:保证燃烧充分，气体成分可控；燃烧过程中连续供气，保证炉内温度一致；燃烧火焰的方向、外形等符合工艺要求；结构合理，维修方便。

烧嘴（喷嘴)有油嘴、煤粉喷嘴、煤气喷嘴等几种，根据火焰的形状烧嘴分为有焰和无焰两种，而热处理设备采用的是有焰烧嘴，其特点为煤气与空气全部或大部分在烧嘴外边混合边燃烧，形成长的火焰，其结构十分紧凑，因此这种烧嘴有利于炉内气体的流动，不会造成零件局部过热或过烧，可避免回火现象的发生。

2)排烟口。燃烧后的炉气要正常地从炉膛内排出，排烟口的位置十分重要。通常将其布置在炉顶、炉底、燃烧的对方炉膛和同方向一侧。排烟口位置的选择应遵循使高温炉气包围零件，对流和辐射传热效果增强，炉底不会有冷气层等原则。

3)管道与风机。它们用来输送燃气和燃气燃烧所需的空气，起到使燃气与空气均匀混合的作用。一般有煤气（或天然气)管道和空气管道等，炉用煤气管道要采用流路最短，转弯、收缩、扩大、分流节点最少的方案；空气管道向炉内供风，可采用单台炉子供风，也可成组供风，要求其与煤气管道相匹配，确保每个烧嘴前空气的压强均匀一致以及便于调节流量。停炉后和开炉前，要将积存的煤气和空气混合物排出，以防发生爆炸。

4)炉用机械。炉用机械分炉口结构和炉门升降机构。炉口结构是由炉门和导板组成的，炉口导板有2°～3°倾斜角，导板与炉门上各带有楔形条，以提高炉门的密封效果。关闭炉门时，依靠炉门的自重及楔形条的锁闭作用将炉门关紧。

炉门升降机构有以下几种:单面链轮杠杆式机构，用于炉门质量在180kg以下的情况；直接传动链轮升降机构，用于大的炉门；快速运动链轮升降机构；气动炉门升降机构，用于动作快、牵引力大、结构复杂的炉门，炉门质量为150～2000kg；电动炉门升降机构，配有卷扬机。

3.燃气炉的燃料种类

根据燃气炉燃料供应状态的不同，燃气可分为以下几种:天然气、焦炉煤气、高炉煤气、城市煤气、发生炉煤气、地下煤气、液化石油气等。

煤气为工业炉中应用最广的一种燃料，而城市煤气不仅是民用燃料也是工业燃料，一般不保证化学成分，只要求燃烧的热量满足要求。液化石油气是石油炼制厂和化工厂的产品，主要成分为碳三馏分（C₃ H₈、C₃ H₆)和碳四馏分（C₄ H₁₀、C₄ H₈)，在常温下是气态，在压力作用下压缩成液体状态，易于罐装和便于运输。

目前天然气已经正式用作热处理加热气源，在汽车零件的加热过程中，发挥着重要作用。天然气具有成本低、管道输送、工艺成熟等特点，主要应用在高温加热炉中。

4.燃气炉的运行与流程

（1)检查内容 燃气炉在点火前应依据操作规程和具体的技术要求，依次检查下列内容，确保燃气炉的正常运行。

1)各电气装置齐全、完整，运行正常。

2)进出的料车运转可靠。

3)运转轴承润滑良好。

4)各处的水冷套状态正常。

5)各电压表、电流表、温度计（包括热电偶)正常。

6)可控气氛、压力等符合要求。

7)氮气的压力正常。

8)冷却水循环正常，温度在工艺范围内。

（2)正常生产过程 确保氮气的纯度在98％以上，流量在15m³/h；煤气或液化石油气的压力在7kPa左右。装炉和出炉操作按以下要求执行。

1)打开炉门按钮，炉门上升。

2)按料车上“小缸上升”按钮，料筐上升10cm。

3)按“移动料车”开关，小车进入炉膛内。

4)按“小缸下降”按钮，料筐放在炉内支架上。

5)关闭炉门，点火后混合气体燃烧，保温后自动打开计时器计时。

（3)操作情况

1)炉内压力是通过改变烟道闸门或排烟管阀门的开启来调节的，使炉气充满整个炉膛，保证炉内的正常压力值，控制炉底表面处为零压，排烟过程中烟道内应有足够的抽力。

2)炉温调节的目的是控制零件表面达到要求的温度，并且保温直至零件中心也近似达到相同的温度。影响炉温均匀性的因素有:烧嘴的合理布置和操作，燃烧时呈光亮火焰或透明火焰，燃烧气体的出口温度、速度和方向，零件之间的间距和垫铁高度，排烟口尺寸和高度等几个方面。

5.高温燃气固溶炉的结构、性能及应用

奥氏体钢气门的固溶是在高温加热炉中完成的，盐浴炉、电阻炉、真空炉均可进行热处理，但存在高能耗、低效率、辅助时间长、劳动强度大和环境污染等缺陷，制约了气门固溶处理的生产。燃气炉则克服了上述不足，以清洁高效和低成本而被气门制造企业所认可与应用，具有广阔的应用前景。

（1)奥氏体钢气门的性能对热处理设备的要求 奥氏体钢气门需要进行半固溶处理、完全固溶处理，热处理温度在1100～1200℃，保温足够时间以达到碳化物完全溶解的目的。为避免气门表面过度氧化和脱碳，需要进行保护加热处理。奥氏体钢气门热处理的技术要求比较严格，晶粒度多控制在4级以内，故对炉温的均匀性提出了较为严格的要求，另外考虑到气门的加工余量等，要求固溶处理后其表面（含气门杆部直径、圆弧等部位)的氧化和脱碳少，因此气门的固溶处理需要用炉温均匀和具有保护气氛的热处理设备来完成，而高温燃气炉则解决了该问题。

（2)燃气炉的结构与性能

1)燃气炉的工作原理与操作过程。高温燃气炉是可进行奥氏体气门固溶处理的专用热处理设备。其为一种箱式高温炉，有独立的排烟管道，炉膛内部有四个耐热砖制作的支撑柱，气门堆放在耐热钢制成的长形盒子内，两个火焰烧嘴布置在炉膛的两侧，为上下错位布置，燃烧的火焰围绕着气门工艺装备循环加热，确保炉温的均匀一致。热电偶安装在炉膛的顶部，按下“点火”按钮后，鼓风机送入的空气与燃气混合后进入炉内燃烧完成气门的加热，即通过自动进气装置对燃气配比进行自动调节，来确保达到工艺规定的温度。温度控制以及进出料小车全部为智能化管理，工件的取出与送进由气缸上下控制。该炉配有快速冷却水槽，设有温度报警仪表和计时系统，排气口设为70～90mm。其具有气门固溶后晶粒度均匀一致性好，晶粒度可控制在1～1.5级以内，表面状态较好，生产率高，热处理成本低等特点。图10-12所示为燃气炉的整体结构形式，图10-13所示为料筐取出后准备进行水冷的过程。

图10-12 燃气炉的整体结构形式

图10-13 料筐取出后准备进行水冷的过程

2)燃气炉的保养与维护。燃气炉可采用的气源有以下几类:天然气、液化石油气、城市煤气等。如果采用煤气罐、液化气罐，则将每次剩余部分气体（因燃气炉需要供给的压力在7MPa以上)；而采用管道供应燃气，可明显节省燃气。下面介绍有关注意事项。

燃气炉的升降炉门内衬应采用硅酸铝纤维毡，一是起到保温的作用，二是可减轻炉门的质量，保护升降的机械装置。为确保炉门在服役过程中不变形，应在炉门框的四周安装水套，通入自来水或循环水，出口水温应不高于60℃。炉膛内支撑料筐的四块钢砖的高度应一致，应设定在上下两个烧嘴的中央区域，目的是确保气门的均匀加热，防止火焰直接喷射在气门上，造成局部的烧蚀。进出料车的前叉与支撑砖应平行，二者之间的间隔应均匀一致，保证料筐起落时不变形，否则容易造成料筐的翻倒。一人操作时应随时观察燃气的压力与控温仪表指示情况。出气口大小调节的基本原则是形成正压。注意检测或用嗅觉识别有无漏气现象，设备周围严禁有明火或抽烟现象。每次开炉前用压缩空气清理吹扫炉内炭黑和残留气体，清理炉膛内部的氧化皮及杂物等，否则容易引起工件表面的局部不良。对于要求表面比较清洁的气门，可采用上部加盖的形式，减轻其表面氧化影响程度。通过观测孔，经常观察火焰的燃烧是否正常。

3)高温燃气炉与盐浴炉的性能与成本对比。燃气炉作为一种可以替代盐浴炉、高温保护气氛炉等的固溶处理设备，正逐渐被气门制造厂家所接受，其原因如下:

①燃气炉的设备操作简单，可实现自动化生产作业，具有较高的效率，降低了操作者的劳动强度。固溶处理气门的装料十分简单，直接从料箱中倒入，省去了盐浴固溶时人工插筐的繁琐劳动，同时也能避免料筐放偏与电极接触的问题，避免气门的局部加热温度高而造成晶粒粗大的缺陷；另外，无捞渣和添加盐的辅助工序与操作，在有效的时间内可完全进行气门的固溶处理。

②燃气炉的装炉量大，产品质量稳定（与盐浴炉相当)。目前国内大多数气门的固溶处理是在盐浴炉中完成的，采用人工放入与挑出。燃气炉的装炉量是盐浴炉的7～8倍，即一台燃气炉的效率为一台盐浴炉的7倍以上。

③燃气炉进行气门固溶处理的成本低，无环境污染。盐浴炉的设备功率为100kW，燃气炉采用天然气或液化石油气（或城市煤气等)进行气门的加热。燃气炉固溶处理气门的成本为盐浴炉的1/10，从气门固溶处理成本与技术上讲，燃气炉替代盐浴炉势在必行。

4)燃气炉的点火系统。燃气炉的点火系统科学、规范，采用电子点火安全、可靠。根据设定的炉温，自动调整燃气与空气进气阀的大小，来控制温度的高低，其温度的均匀性在5～10℃以内，满足了气门固溶处理对温度均匀性的要求。

5)燃气炉的应用前景。作为一种新型的高温加热设备，为确保炉膛内温度的均匀和保温效果，其体积比较庞大，近似于大型箱式电阻炉，各种进排气（燃气、空气、氮气等)管道以及辅助装置较多，同时配备有小型行车作业系统等，有利于更好地完成生产与自动化作业。整体上讲，该设备比高温电阻炉的气门固溶质量更加稳定，加热效率高，因此，该设备在国内外已经得到了认可与应用。

10.5感应加热设备

除了上述几类热处理加热设备外，可进行表面淬火处理的设备包括感应加热设备、火焰加热装置、激光加热装置、电阻加热装置、电接触加热装置等，它们具有加热时间短、生产率高，以及产品表面硬度高、疲劳强度高等特点。其中感应加热设备是目前汽车零件热处理应用比较广泛的设备，在表面淬火与硬化领域具有明显的特点与优势，在轴类、齿轮、蜗轮与蜗杆、内外套圈等零件的表面淬火方面是其他热处理设备无法比拟的，其缺点是无法进行大批量的作业，设备的投资大等。

1.感应加热设备的分类

感应淬火是利用零件在交变磁场中产生的感应电流，将零件表面一定深度加热到淬火温度，随后快速冷却的淬火工艺。感应加热是通过改变电流对零件表面产生热效应、趋肤效应、邻近效应和尖角效应来实现的。

通常按感应加热的频率大小，将感应淬火分为高频感应淬火、超音频感应淬火、中频感应淬火和工频感应淬火等。感应加热设备的种类、特性与应用见表10-6。

表10-6感应加热设备的种类、特性与应用

2.感应加热设备的技术参数

应当指出，各种感应加热设备具有性能的差异，下面分别介绍如下。

1)高频感应加热装置是将频率为50Hz的交流电通过高频振荡器，变为100～500kHz高频电流的大功率变频器。电子管式高频感应加热装置的型号与技术参数见表10-7，改进型电子管式高频感应加热装置的型号与技术参数见表10-8。

表10-7电子管式高频感应加热装置的型号与技术参数

2)将高频感应加热装置改换一个振荡柜，即成为超音频感应加热装置。高频感应加热的频率为200～300kHz，中频设备的频率为1～8kHz，对于模数为3～6mm的齿轮、链轮、花键轴等零件进行表面淬火时，两种加热设备均会出现温度不均匀的现象。利用高频与中频之间的频率范围，采用30～40kHz的超音频频率加热，可获得良好的效果。电子管式超音频感应加热装置的型号及技术参数见表10-9。

表10-8改进型电子管式高频感应加热装置的型号与技术参数

表10-9电子管式超音频感应加热装置的型号及技术参数

3)中频感应加热装置将50Hz的工频电流变为0.5～10kHz的交流电流，其分为机式变频装置、电磁式倍频器、晶闸管变频装置与离子管变频装置等。在生产中机式中频发电机的使用比较广泛。表10-10列出了机式中频变频装置的型号及技术参数。

表10-10机式中频变频装置的型号及技术参数

3.感应加热设备的应用

感应热处理零件占汽车热处理零件的70％以上，汽车零件的热处理离不开感应加热设备。作为一种可实现零件整体或局部热处理的淬火设备，感应加热设备具有许多优点，在汽车零部件制造行业应用十分广泛，例如前面提到的典型零件感应淬火，多应用于传递动力转矩的轴类零件:内燃机气门的杆端与盘锥面、曲轴轴颈、凸轮轴、花键轴、齿轮齿圈、半轴、等速万向节、变速叉、传动器轴、十字轴、齿轮轴、减振器、销轴、轴承座、制动凸轮、转向节等。

10.6流动粒子炉

1.流动粒子炉的发展和特点

流动粒子炉是近30年发展起来的一种新型的热处理设备，它有连续式炉和周期式炉两种。流动粒子炉是将固体粒子作为加热介质来实现对零件热处理的。炉膛内固体粒子被从炉膛底部多孔布风板供给的气体所吹拂，在气流作用下形成紊流，使其在炉膛内悬浮翻腾，粒子之间失去接触，相互冲击、混合和自由流动，整个床层呈流态化状态。流动粒子与加热工件进行无规则的碰撞，由于固体粒子的不断浮动，可确保炉内温度均匀，加上高温下与氧气的接触，生成了具有中性或还原性的气体，因此可完成零件在流态层中的加热、冷却或化学热处理等过程。

通入的气体具有两个作用，一是使粒子形成流态化，二是形成热处理气氛，从而满足零件保护加热、渗碳、渗氮等热处理的工艺要求。一般通入的气体有四类:空气为氧化性气体，可用于不要求防氧化的外热式流动粒子炉和炭粒作流动粒子的流动粒子炉，也可用作内热式流动粒子炉可燃气体的助燃剂；氮气和氮基气氛常用于外热式流动粒子炉；可燃气体通常为丙烷、丁烷、液化石油气、天然气或城市煤气等，它们与空气按一定的比例混合产生不同燃烧程度的流态化气氛，完成工件的热处理过程；其他气体对外热式流动粒子炉而言，可通入氨的裂解气、甲醇裂解气等。

流动粒子炉与其他气体加热介质、液体加热介质热处理设备相比具有以下特点:

1)粒子的热导率大，大于空气电阻炉及盐浴炉，升温和加热速度快，消耗气（电)量少。

2)固体粒子不断沸腾，保证了炉膛内温度的均匀，温差小，零件变形小，粒子对零件无腐蚀性，加热温度范围宽（800～1000℃)。

3)设备简单，起动方便，易于实现设备的自动化和机械化操作，可实现设备的时开时停操作。

4)设备简单，热效率高和节能效果显著，成本低廉及操作安全。

5)处理后的零件表面清洁光亮，不需要清洗和擦拭，零件无氧化、脱碳，免去了脱氧、捞渣等工序。

6)应用范围广，用于完成零件的淬火、回火、固溶处理和时效、去应力退火及多种化学热处理等。

其缺点是需要配备通风、吸尘装置，一次性投资大；介质的消耗大，需要及时补充粒子，有砂或石墨（或三氧化二铝)粒子在炉内飞散，污染环境；零件加热时带电，应采取绝缘措施。

2.流动粒子炉的类型和结构

按热源、加热方式及粒子流态化方式的差异，流动粒子炉分为电加热式和气体加热式两种，而电加热式又分为内热式和外热式两种。内热式流动粒子炉由炉体系统（流态床、电极、炉体)、供电控制系统（变压器、控制柜、热电偶和控温仪表)、通风系统（气泵、流量计、调节阀等)和除尘回收系统（旋风除尘粒子回收器、风机等)组成。目前我国有RSL、TH、T、LTR等型号的流动粒子炉，其基本类型有直接电阻加热式、外部电阻元件加热式、内部电阻元件加热式、内部燃烧加热式和外部燃烧加热式等几种，这里主要介绍如下两类。

（1)气体燃料加热流动粒子炉 自炉膛底部通入一定流量的气体燃料加热固体粒子，使固体粒子在炉膛内悬浮翻腾，粒子呈流态化状态，从而完成零件的加热和冷却。图10-14所示为气体燃料流动粒子炉的结构示意图。

图10-14 气体燃料流动粒子炉的结构示意图

a)内燃式 b)间接加热式 c)外燃式

选用的加热粒子有刚玉砂、镁砂、锆砂、硅砂、金属微粒、石墨粒子、粘土砖等非导电性颗粒以及导电性粒子炭粒。耐火材料颗粒如刚玉（主要成分为Al₂ O₃)为中性粒子，与气氛不反应，具有耐高温性能和耐磨性；而氧化铝空心球的密度小，利于降低初始化速度，且易均匀流态化。内燃式流动粒子炉的煤气与空气混合后，通过布风板、透气砖、耐热砂送入炉膛内，形成还原性燃烧气流，粒子沸腾并被加热，必要时可通过冷却空气调节炉内温度。可供气体渗碳的粒子炉，炉膛分内外两层，A层为炉膛，B层为加热室。丙烷或天然气从底部进入工作炉膛，使粒子沸腾，分裂成具有渗碳作用的气氛；另一部分燃气进入燃烧室内，与引入的一次空气燃烧来加热炉膛。外燃式流动粒子炉的炉体底部燃烧室内安装一个过剩空气烧嘴，其中的火焰气流通过透气砖进入炉膛内，加热后使粒子沸腾，调节燃料气供气量可控制炉膛内的温度，其热效率比内燃式高。

气体燃料加热流动粒子炉具有加热和流态化的双重效果，从炉型结构、安全操作、炉气成分的调节上应特别注意。目前用液化石油气或天然气的流动粒子炉已批量生产，采用液化石油气和空气混合物为燃料，加热介质为Al₂ O₃空心球或颗粒。

（2)内热式电加热流动粒子炉 该类粒子炉有电极式和电热元件式两种，一般采用石墨或碳化硅、焦炭等作为加热介质，它们在流态床层中既能加速传热又能提高传热效果，起到发热体的作用。它们不仅起到加热介质的作用，而且在高温下能与氧结合形成CO气氛，具有保护零件免受氧化和脱碳的作用，故可实现零件的无氧化、无脱碳加热。电极式采用侧壁上的电极和碳粒子导电进行加热，碳粒子为加热介质、导电体和发热体，炉膛的四角装有进气管，起到辅助流化的作用。图10-15所示为电加热流态床的结构。

图10-15 电加热流态床的结构

a)电极式 b)电热元件式

1—炉体 2—电极 3—布风板 4—风室 5—沸腾层 6—工件 7—风管 8—加热体

目前热处理企业大多使用电极加热流动粒子炉，它们的结构如下。

1)风室和进气管。风室的作用是确保空气在进入透气板前具有足够的压力和分布均匀，保证炉内粒子的流态化质量。为了改善气流在布风板上压力的分布状态，风室及进气管的分布应根据要求改变空气流向，进气管上的出口应均匀分布。

2)布风板作为一种重要的炉内构件，具有均匀透气性好，耐热性、耐磨性和抗压性好，热稳定性好，不变形等特点，可起到阻挡粒子下漏到风室和防止透气孔堵塞的作用。布风板可用金属板或非金属材料制作，大多用高铝透气砖或金属板钻孔制成。

3)耐热砂层具有重要的作用。炉子在工作过程中，为保护布风板免受早期损坏，在其上覆盖一层50～70mm、粒度为20～30目或40～60目的耐热砂层，多采用刚玉、镁砂等。耐热砂层可保持气体压力的均匀。

图10-16 RL系列流动粒子炉结构示意图

1—进气管 2—下气室 3—上气室 4—透气砖 5—耐热砂 6—石墨粒子床 7—电极板 8—排烟口 9—轻质保温砖 10—炉膛 11—辅助进气管 12—布风板

4)流态化粒子形成流态床和起到传导的作用。粒度的大小十分关键，直径小于1mm，加热速度快，表面积增加，有利于导热和加热零件；若直径大于1mm，则质量大难于实现流态化；直径在0.45mm以下时，会与加热气体“粘附”，无法实现零件的加热。粒度过大或过小均会影响加热的效果，严重的将产生沟流、气泡、节涌等，因此要加以控制。下面介绍常用的电加热内热式流动粒子炉，如图10-16所示。

在该类流动粒子炉中，要求导电粒子具有下列特点:电阻率及电阻温度系数小；质量轻和杂质少；耐热温度高，粒度均匀；在高温下与氧结合形成保护性的一氧化碳气氛。

另外液化石油气流动粒子炉也是目前使用的设备，该炉具有升温速度快，炉膛内温度均匀，工作温度在750～1300℃，不完全燃烧形成还原性和微氧化性气氛，与放热性气氛相近，零件在加热过程中无氧化脱碳，通入丙烷气体可进行渗碳处理等特点。它是目前应用较广的炉型，其比例占流动粒子炉数量的1/3。

3.流动粒子炉与其他热处理设备技术指标的比较

流动粒子炉作为一种新型的热处理设备具有其固有的特性，它是随着科学技术的发展和能源短缺问题的日益严重而出现的，具有其他设备所不可替代的特点。流动粒子炉与其他热处理设备各项技术指标的对比见表10-11。

表10-11流动粒子炉与其他热处理设备各项技术指标的对比

4.流动粒子炉的发展与应用

（1)流动粒子炉的发展方向 流动粒子炉具有上述优点，因此其应用范围自20世纪80年代如雨后春笋般迅速扩大。为了节省流态化气体流量，使部分炉气循环使用，采用一个喷射泵从炉口排出气体，使之进行循环回收再利用。

采用此方法具有几个优点:节省气源，降低了生产成本；回收炉气的热量，供再次加热零件，起到预热零件的作用；加快了加热速度，缩短加热时间，提高了生产率；处理后的零件具有高的疲劳强度和抗弯强度，提高了零件的使用寿命。

现在逐渐发展有脉冲流动粒子炉，实现了粒子炉的科学控制。

（2)流态化化学热处理和冷却介质的应用 事实证明经过流动粒子炉处理的工件，表面呈现高的压应力状态，这同粒子在加热炉内不断反复撞击工件有很大的关系。挤压模具、压铸模具、锻造模具等经热处理后，使用寿命提高3～10倍，原因在于流动粒子的高速运动和撞击，将热量和动能完全传给了工件，使工件表面获得了压应力作用，故提高了使用寿命。

10.7离子渗氮炉

离子渗氮是利用低真空辉光放电原理，使氢、氮离子轰击工件表面而升温，即利用高压电场在稀薄的含氮气体中引起的辉光放电进行渗氮的一种化学热处理方法，又称辉光离子渗氮和离子轰击渗氮。离子渗氮炉还可进行渗硫、氮碳共渗、硫氮共渗、碳氮共渗等化学热处理。根据炉体的形状，离子渗氮炉可分为钟罩式炉、井式炉和卧式炉等，其中以钟罩式炉和井式炉应用较多。

1.离子渗氮炉的结构与特点

离子渗氮炉由炉体（渗氮工作室)、真空系统（抽真空和真空测量系统)、渗氮介质供给系统、供水系统、电力控制系统和温度测量及控制系统等组成。一般零件多采用钟罩式炉进行处理，钟罩式离子渗氮炉如图10-17所示。

渗氮介质供给系统包括气源、通气管路、干燥净化及流量测量等装置，应保证通入炉内的渗氮气体的纯度和水分含量符合要求。

炉体与真空炉相似，具有双层水冷的圆筒形结构，内壁比外壁厚，内壁用6～8mm的不锈钢板或普通钢板焊成，外壁用3mm的碳素钢板围成，炉底用8～10mm的钢板制作。工件置于与炉床绝缘但又连接在一起的阴极托盘上，阴极托盘结构如图10-18所示，长杆形工件可用图10-19所示的结构吊挂。

阴极装置有良好的绝缘性、密封性、耐高温性。渗氮时工件经常处于500～600℃或更高温度，为了减少热损失，炉内应设置隔热屏。绝缘材料与阴极辉光接触部位应采用间隙屏蔽装置，以防产生弧光，这利用了辉光在小于1mm的缝隙中即会熄灭的原理，在二者接触部分加上金属套。

阳极一般借用炉壳，也可在炉内加装隔热屏或辅助阳极（内阳极)，由接线柱引到炉外，阴、阳极距离应大于20mm。炉壳与炉底的接触部位用真空橡胶圈密封，应采用水套进行冷却，其他部位用螺钉将真空橡胶圈压紧。

2.离子渗氮炉的基本原理

将真空室内的真空度抽至（1～5)×1.33 Pa，充入少量气体介质氨气或氮气、氢气的混合气体，电源使室内压强保持（1～10)×133 Pa，真空室内有阴、阳两极，工件接在阴极，外围设置一个阳极（炉罩)，如图10-20所示。

图10-17 钟罩式离子渗氮炉

1—双层炉体 2—内阳极 3—观察孔 4—瓷绝缘子 5—屏蔽帽 6—阳极接线座 7—底盘 8—抽气系统 9—真空泵 10—电阻真空规管 11—出水管 12—阴极托盘装置 13—进氨气管 14—进水管

在阴、阳两极通直流电后，氨气在高压电场作用下部分分解成氮以及电离成氮离子及电子，阴极（工件)表面形成一层紫色辉光，高能量的氮离子轰击工件表面，动能转为热能使工件表面温度升高。

图10-21所示为辉光放电的电流电压曲线。从图中可以看出，在炉内压力稳定的条件下，开始两极间只有十分微弱的电流产生，随着电压增大电流增大，电压增大到D点时，气体电离，由绝缘成为良导体，阴极的部分表面开始起辉，D点电压为起辉电压，但此时两极间的电压与电流不成线性关系，如EF线所示。升高电源电压或减小电阻均不会改变电压，电流密度也不变化，该区为正常辉光放电区。辉光覆盖面积逐渐增大，电流也相应增大，其大小与炉内气体压力有关，至F点

图10-18 阴极托盘结构

1—下阴极柱 2—套圈 3—上绝缘套 4—下绝缘套 5—垫圈 6—螺母 7—大垫圈 8—套 9—上阴极柱 10—金属套 11—屏蔽套 12—间隙屏蔽套 13—阴极板

图10-19 阴极吊钩结构图

1—阴极引线插头 2、4—聚四氟乙烯保护套 3—引线插座 5—引线接线柱 6—橡胶密封垫 7—隔水套管 8—炉顶冷却水套 9—绝缘套 10—石棉水泥绝缘垫 11、14—螺母 12—泡沫刚玉保温板 13—间隙屏蔽板 15—阴极吊环

图10-20 辉光放电电路

图10-21 辉光放电的电流电压曲线

Ⅰ—正常辉光放电区 Ⅱ—异常辉光放电区 Ⅲ—弧光放电区

辉光覆盖了工件表面，升高电源电压则电压与电流均增大，直到G点，FG段称为异常辉光放电区。离子渗氮主要在此区间进行，放电电压与电流成线性关系，过了G点电压下降，电流迅速增大，会烧化工件。

气体的起辉电压是一个重要参数，它直接影响到工件的产品质量。一般当气体成分、阴极材料不变化时，其取决于炉内气体压强p₀与阴、阳两极距离d₀的乘积。工件表面的油污、氧化物等被强烈地溅射而除去，氮的正离子在阴极夺取电子后逐渐成为氮原子被工件表面吸收，并向内扩散。氮离子冲击工件表面还能产生阴极溅射效应，在离子轰击作用下从阴极表面上冲出铁离子，在等离子区与氮离子和电子结合形成渗氮物，其以均匀的层状被吸附在阴极表面上，形成氮浓度很高的渗氮铁（FeN)。在离子轰击和热激活作用下，沉积在工件表面的FeN发生反应FeN→Fe₂ N＋[N]，分解后产生的活性氮原子被工件表面吸收并向内扩散，而Fe₂ N又受到上述作用依次发生下列反应:Fe₂ N→Fe₃ N＋[N]，Fe₃ N→Fe₄ N＋[N]及Fe₄ N→Fe＋[N]，其中放出的氮原子渗入工件表面，向工件内部扩散，在工件表面形成渗氮层。随着时间的延长，渗氮层逐渐加深。离子渗氮是在真空容器内高压电场作用下进行的，离子渗氮时阴极的溅射作用除掉了氧化膜，可使工件的表面始终处于活化状态，因此有利于氮原子的渗入，同时由于离子轰击会在表面一定深度内产生晶体缺陷（如产生位错等)，其方向与氮原子的扩散方向一致，有利于氮原子的扩散。在渗氮层中氮在高浓度的ε相中扩散最慢，而ε相又处于最表面，在扩散层中氮原子的扩散起着至关重要的作用，离子渗氮时辉光放电对表面层发生作用，因此有助于ε相中氮原子的扩散，加速了渗氮过程。由此可见在离子渗氮过程中辉光放电对形成渗氮扩散层具有重要作用:活化气相，加快氮原子的吸附和扩散。

3.离子渗氮炉的工艺参数

（1)真空度 空气在渗氮过程中会使金属表面氧化，影响渗氮质量，故真空度一般抽至（1～5)×1.33Pa才能送电起辉。

（2)气体成分 一般采用氨气，也可用氮和氢的混合气体。改变氮和氢的比例，可使渗氮层的结构和ε相层的厚度发生变化，氢气所占的比例越大，则渗氮层中ε相层越薄。

（3)气体压力、气体流量与真空泵的抽气率 它们为相互关联的三个参数，在气压一定的条件下，真空泵的抽气率越大，氨气的消耗量越大。气压对电流密度有直接的影响，气压增大电流密度加大，同时又影响到升温速度和保温温度。气压在（1～10)×133Pa范围内时，对渗氮层的质量基本无影响。

（4)电流密度 根据渗氮温度的要求来选择电流密度，通常遵循下列原则:升温阶段，电流密度需要大一些，加快升温速度；在保温阶段，能量消耗低，电流密度可以小一些。电流密度在0.5～20mA/cm²变化对渗氮层的质量没有明显影响，常用0.5～15mA/cm²。

（5)阴、阳两极之间的距离 两极间的距离大于辉光厚度就可以维持辉光放电，两极间的距离以30～70mm为宜。

（6)辉光电压 离子渗氮所需电压与电流密度、炉内气压、工件表面的温度、阴阳两极间的距离等诸多因素有关。一般通过调节电压和气压来达到一定的温度，在上述参数保持不变的前提下，气压增大，则电压下降；而电压升高，会造成电流密度增大。一般保温阶段常用的电压为500～700V，其表面功率密度为0.2～0.5W/cm²。

（7)渗氮温度和保温时间 渗氮温度和保温时间是离子渗氮的重要工艺参数，对渗氮层的质量影响很大。450℃离子渗氮后表面硬度很高，形成了弥散度很大、与基体相共格的合金渗氮物，在不形成化合物层的条件下，改变渗氮炉内的氮、氢比例，可调整渗氮层硬度。根据钢种的不同，离子渗氮温度通常在450～650℃范围内选择，但要低于钢调质时的回火温度30～50℃。渗氮层厚度为0.2～0.6mm时，渗氮时间为8～30h。

4.离子渗氮炉的应用

1)热作模具钢和冷作模具钢模具的渗氮。热锻模要求有热稳定性、良好的韧性、高的耐磨性，又要有低的粘附性及热裂不敏感性。对锻模而言，磨损为主要的失效原因，采用有一层4～6μm厚的γ渗氮层和约0.3mm的扩散层结构，可获得良好的效果，锻模离子渗氮可使成形面的粘着性降低，使热疲劳强度和冲击韧度提高，因而使用寿命延长。对于热拉深模而言，可得到韧性好和耐磨的化合物层，减小了摩擦因数，使受力层的磨损减少。钢压铸模具、铝挤压模具离子渗氮后可提高寿命2～3倍。冷作模具除要求有足够的心部强度外，还要求表面耐磨且脆性小，其基体中碳化物含量高，离子渗氮后的表面硬度高，具有高的耐磨性，非常适合冷作成形加工工艺使用，如卷板、轧制、冲裁、拉深和弯曲等。如用Cr12MoV钢制造的蜗壳拉深成形模，500℃×5h离子渗氮，表面硬度为1200HV5，化合物层厚度为0.015mm，渗层深度为0.12mm，使用寿命提高25倍。

2)汽车发动机零件的渗氮。在发动机上工作的零件，要求具有高的硬度，良好的疲劳强度，较高的抗咬合性和耐摩擦能力。进（排)气门、导管、挺杆、曲轴、活塞环等进行离子渗氮均取得了良好的效果。例如，45钢制造的曲轴离子渗氮1～2h，表面硬度、耐磨性及疲劳强度提高，防止了变形。

3)不锈钢和耐热钢零件的渗氮。对于需要渗氮的不锈钢和耐热钢制品，采用离子渗氮的方法效果特别好，辉光放出离子的高速轰击作用，可以清除掉工件表面的钝化膜，因此渗氮前不用特别地进行钝化膜处理，离子渗氮速度快，且渗氮层均匀。例如，20Cr13在550℃×15h渗氮后渗层为0.2mm，硬度为1100 HV0.2；12Cr18Ni9在580℃×48h渗氮后渗层深为0.1mm，硬度为1000 HV0.2。与结构钢相比，不锈钢和耐热钢中含有较多的合金元素，它们阻碍氮原子的扩散，使渗氮速度减慢，故渗氮层的厚度变薄，尤其是氮原子在不锈钢中扩散系数较小。

5.离子渗氮炉的发展

随着科学技术的不断发展，离子渗氮炉因其有许多优于气体渗氮炉的特点，在实际生产中得到了不断改进。

1)卧式离子渗氮炉。该炉较长，具有加热元件、机械出装炉装置，可实现机械化生产，提高了生产率，极大地改善了工人的劳动条件。

2)多功能离子加热装置。该炉是在多用真空炉的基础上加以改进的。由于加热室内为真空状态，没有工件的氧化和其他的影响，因此可用于进行离子的渗氮、渗碳、氮碳共渗或碳氮共渗等化学热处理，同时还可作为加热设备进行真空淬火、回火、退火、烧结、堆焊等。目前已发展了水平较高的化学离子渗氮炉，其有保温和加热装置，该炉型设计合理，操作十分方便。

3)双重加热离子渗氮炉。该炉依靠高能离子轰击加热工件，同时还可用电热元件的辐射和热气对流来加热工件，可缩短生产周期，节能降耗，热效率高。其结构与真空回火炉相同，真空室内两侧设置有加热元件，强力风扇循环系统可保证炉内的介质气体对工件的加热均匀一致。用中性气体加热工件后，将中性气体抽出然后通入介质工作气体（氨气)，再依靠离子轰击工件表面，从而保持了工件温度和渗氮效果。

参考文献

[1] 孟繁杰，黄国靖.热处理设备[M].北京:机械工业出版社，1989.

[2] 中国机械工程学会热处理学会.热处理手册:第3卷[M].4版.北京:机械工业出版社，2008.

[3] 吉泽升，张雪龙，武云启.热处理炉[M].哈尔滨:哈尔滨工业大学出版社，1999.

[4] 包耳，田绍洁.真空热处理[M].沈阳:辽宁科学技术出版社，2009.

[5] 曾祥模.热处理炉[M].西安:西北工业大学出版社，1989.

[6] 史玉芳.热处理工[M].北京:机械工业出版社，2006.

[7] 王忠诚，孙向东.汽车零部件热处理技术[M].北京:化学工业出版社，2007.

[8] 陈永勇.可控气氛热处理[M].北京:冶金工业出版社，2008.

[9] 阎承沛.真空与可控气氛热处理[M].北京:化学工业出版社，2006.

[10] 赵德寅，王大伦.汽车零件金相分析[M].北京:机械工业出版社，1985.

[11] 中国机械工程学会热处理学会.热处理手册:第2卷[M].4版.北京:机械工业出版社.2008.

[12] 纳门伊R.可控气氛热处理[M].杜豪年，杨春澍，译.北京:宇航出版社，1988.

[13] 樊东黎，徐跃明，佟晓辉.热处理工程师手册[M].3版.北京:机械工业出版社，2011.

[14] 朱元浦，侯增寿.金属热处理问答[M].北京:机械工业出版社，1993.

[15] 钟华仁.热处理质量控制[M].北京:国防工业出版社，1990.

[16] 吴光英.现代热处理炉[M].北京:机械工业出版社，1991.

[17] 潘月琴，张子慈.五金刃口产品的热处理[M].北京:轻工业出版社，1982.

[18] 王忠诚，李扬，尚子民.钢铁热处理500问[M].北京:化学工业出版社，2008.

[19] 王忠诚，齐宝森，李扬.典型零件热处理技术[M].北京:化学工业出版社，2010.

[20] 马鸣图.先进汽车用钢[M].北京:化学工业出版社，2007.

[21] 李泉华.实用热处理技术[M].2版.北京:机械工业出版社，2007.

[22] 王忠诚，马晓谦，谢春生.奥氏体钢气阀固溶处理用的燃气炉[J].热处理技术与装备:2010，31（3):63-66.

[23] 杨满.实用热处理技术手册[M].北京:机械工业出版社，2010.

[24] 雷廷权，傅家骐.金属热处理工艺方法500种[M].北京:机械工业出版社，2002.

[25] 郭铮匀.钢的渗氮[M].北京:国防工业出版社，1979.

[26] 刘永铨.钢的热处理[M].北京:冶金工业出版社，1981.

[27] 潘邻.表面改性热处理技术与应用[M].北京:机械工业出版社，2006.